Biodiesel: Ett nytt sätt att förvandla växter till bränsle

Eko-drömmare har länge hoppats på ett sätt att köra runt utan att bidra till den globala uppvärmningen, men den långsamma framstegen inom alternativa bränsletekniker har hindrat den visionen från att förverkligas. Nu, en lovande ny process, designad av forskare vid University of Wisconsin och beskrivs i en artikel som publicerades i tidskriften Vetenskap den 2 juni kan vara ett viktigt steg mot att förvandla den drömmen till verklighet.

Tidningen beskriver ett nytt sätt att producera biodiesel, som är gjord av växtmaterial. Traditionell biodieselraffinering använder endast fettsyrorna i en växt, som vanligtvis utgör mindre än 10 procent av massan av torkade växter. Istället för att bara omvandla fettet, lovar denna nya metod att förvandla allt torkat växtmaterial, inklusive rötter, stjälkar, löv och frukt, till biodiesel eller värmeenergi.

Etanol, det mest populära och kommersiella biobränslet, har länge förfinats ur växtmaterial, men det kräver det kostsamma, energikrävande steget att destillera varje vattenmolekyl ur lösningen. Däremot är den nya biodieselprocessen baserad på vattenfasreaktioner, som inte behöver gå igenom den dyra destillationsfasen.

Det största framsteg vi har att erbjuda är avsaknaden av den destillationsprocessen, säger George Huber, en av tidningens författare och doktorand vid University of Wisconsin som snart kommer att undervisa vid University of Massachusetts i Amherst. Det betyder att vår process är exoterm. Det kräver med andra ord inte mycket extra energi. Och det är viktigt, eftersom den största kostnaden i den nuvarande biobränsleraffineringen är energi.

Den nya metoden är uppdelad i fyra delar. Först matas en ström av bearbetad biomassa bestående av vatten och socker över en nickel-tennkatalysator för att avlägsna några av dess väteatomer. Därefter behandlas bäcken med syror som tar ut det mesta av vattnet. Den resulterande smutsen transporteras sedan över en fast baskatalysator, som bildar den till långa kolkedjor, kallade alkaner. Slutligen körs dessa alkaner genom en platina-kiseldioxid-aluminiumoxid-katalysator vid höga temperaturer, medan vätet från det första steget matas in i reaktorn. Den resulterande vätskan har nästan exakt samma kemiska struktur som traditionellt raffinerad biodiesel och brinner på samma sätt i dieselmotorer. Och de enda biprodukterna är vatten och värme.

Om processen kan skalas upp till industriella nivåer kan det vara ett stort steg mot skapandet av ett transportbränsle som är relativt ren förbränning, som inte bidrar till den globala uppvärmningen och ger amerikanska bönder miljarder dollar i nya inkomster.

Enligt Bill Jones, styrelseordförande för Pacific Ethanol, ett ledande biobränsleföretag, ser oljeindustrin för närvarande på den framväxande biobränsleindustrin med rädsla snarare än acceptans.

Men så småningom kommer de, säger han. De kommer att förstå att detta inte bara är konkurrens, det är en helt ny marknad för dem att komma in på.

Han påpekar att den brasilianska petroleumindustrin också motsatte sig regeringens försök att främja biobränslen, men den är nu en stor anhängare – mer än hälften av Brasiliens oljeimport har ersatts med biobränslen (se Teknikgranskning April omslagsberättelse om världsförändrande idéer).

Andra behöver dock inte övertygas. Charles Wyman, en framstående professor vid Dartmouth College i Hanover NH, vars specialitet är den biologiska omvandlingen av cellulosabaserad biomassa till etanol och andra produkter, säger att denna nya metod kan ge biodiesel en kampchans att lyckas på den kommersiella marknaden genom att tillåta tillverkare att göra antingen etanol eller biodiesel.

När du väl bryter ner allt socker i växtmaterialet var det enda alternativet vi hade tidigare att göra etanol, säger Wyman. Detta ger fler alternativ.

I framtiden kan ett enda tillverkningscenter, efter att ha förädlat biomassan till sockerarter, tillverka biodiesel eller etanol, beroende på marknadens efterfrågan. Wyman påpekar dock också att den ekonomiska kampen inte nödvändigtvis har vunnits.

I slutändan är det priset på bensinstationen där dessa tekniker vinner eller förlorar, inte i laboratoriet, säger han.

För att säkerställa att både biodiesel och etanol blir mer konkurrenskraftiga på marknaden, säger Wyman att det behövs ett nyckelgenombrott för att göra dieselbränsle eller andra produkter som etanol konkurrenskraftigt från sockerarter. Enligt honom kan framsteg på detta område slå grossistpriserna på bensin.

Och vissa tror att genombrottet är i horisonten. Framsteg under de senaste två åren inom enzymteknologi av National Renewable Energy Laboratories och privata företag som Iogen och Novozymes har avsevärt minskat kostnaderna för cellulosaomvandling, vilket är lockande nära att göra hela systemet ekonomiskt konkurrenskraftigt med billig gas.

Den nya processen som utvecklas av James Dumesic, professor i kemisk och biologisk teknik vid University of Wisconsin, och Huber kommer att bidra till att minska dessa kostnader genom att begränsa mängden avfall, eftersom alla typer av växtmaterial kan matas in i deras system. Till skillnad från nuvarande etanolraffinaderier, som endast kan arbeta med material med hög glukoshalt som majs, använder biodieselbränslet som genereras av denna process cellulosa, rötter och stjälkar från vilken växt som helst.

Det betyder att avfallsbiomassan från Amerikas enorma jordbruksindustri – allt från majsstover (plantans stjälkar och blad) till jordnötsskal och nedfallna löv – kan användas. En nyligen genomförd studie från det amerikanska jordbruksdepartementet (se anteckningsbok) uppskattade att mer än 1,3 miljarder ton sådant avfall produceras varje år. Om allt förvandlades till biodiesel skulle det ge tillräckligt med bränsle för att ersätta en tredjedel av den petroleum som förbrukas i USA. Att förvandla för närvarande oanvänd jordbruksmark till gräsmark som ska skördas för biodieselproduktion skulle dessutom lätt stå för de andra två tredjedelarna av petroleumbehovet.

Det betyder naturligtvis att en annan mottagare av en sådan omvandling skulle vara familjebönder, enligt Pacific Ethanol's Jones. Etanolraffinaderier som ägs av kooperativ av bönder levererar redan huvuddelen av USA:s etanolproduktion, och biodieselraffinaderier kan utformas efter samma program.

Att finslipa denna nya process är dock bara det första steget i den mycket långa processen att omvandla landet till en biodieselnation. För att det ska hända måste hela USA:s kommersiella bilflotta naturligtvis byta från förbränningsmotorer till dieselmotorer; men flytten kan vara attraktiv, eftersom de nya motorerna skulle orsaka mindre föroreningar (biodieselfordon skulle producera mycket färre föroreningar som svavel och kväveoxider.)

En sådan havsförändring i USA:s transportinfrastruktur kommer inte att ske snabbt. Mer sannolikt kommer biodieselproduktionen att starta långsamt och sedan öka till industriell skala, om den är konkurrenskraftig med diesel och bensin.

Ändå tycker Huber att hans team har tagit ett stort steg mot att utnyttja en av världens mest utbredda, men ändå minst använda energiresurser.

Om det här blir en framgång, säger han, kan jag säga att jag hjälpte till att omvandla våra biomassaresurser för att driva vårt transportsystem.

Dölj